Kariera aktorska Popularność zdobył rolą Sherlocka Holmesa w serialu Sherlock (2010) wyprodukowanym przez stację BBC. Wcielił się również w postacie: Alana Turinga w filmie Gra tajemnic (2014), Juliana Assange’a w filmie Piąta władza (2013), Stephena Hawkinga w dramacie Hawking wyprodukowanym przez stację BBC, Williama Pitta w filmie Głos wolności, bohatera Stephena Ezarda w miniserialu BBC Ostatni wróg (2008), Paula Marshalla w filmie Pokuta (2007), Bernarda w Małej wyspie (2009). W 2016 roku wcielił się w tytułową rolę Stephena Strange’a w filmie Doktor Strange. W tej roli wystąpił również w kolejnych produkcjach Filmowego Uniwersum Marvela: Thor: Ragnarok (2017), Avengers: Wojna bez granic (2018), Avengers: Koniec gry (2019) oraz Spider-Man: Bez drogi do domu (2021).
W 2018 r. wystąpił w tytułowej roli w serialowej adaptacji powieści o Patricku Melrosie. O chęci zagrania tej postaci mówił już w 2013 roku.